嫌気性ラグーン

嫌気性ラグーンまたは肥料ラグーンは、集中畜産施設（CAFO）で発生する廃棄物を管理および処理するために設計されたシステムの一部として嫌気呼吸を受ける動物の排泄物で満たされた人工の屋外土槽です。嫌気性ラグーンは、動物の囲いの下から洗い流され、ラグーンにパイプで送られる肥料スラリーから作られます。スラリーは、ラグーンに堆積される前に、納屋の下または横にある中間貯蔵タンクに置かれることがあります。ラグーンに入ると、肥料は2つの層に沈殿します。固体またはスラッジ層と液体層です。その後、肥料は嫌気呼吸のプロセスを受け、揮発性有機化合物が二酸化炭素とメタンに変換されます。嫌気性ラグーンは通常、高濃度の産業廃水や都市廃水の前処理に使用されます。これにより、前処理プロセスとして浮遊物質の予備沈殿が可能になります。^[1]

嫌気性ラグーンは、環境や健康に悪影響を及ぼす物質を保有し、放出することが分かっています。これらの物質は、ガス放出とラグーンオーバーフローという 2 つの主な経路で放出されます。ガス放出は継続的であり (ただし、量は季節によって異なる場合があります)、糞尿スラリーの生成物です。ラグーンから放出される最も一般的なガスは、アンモニア、硫化水素、メタン、二酸化炭素です。ラグーンオーバーフローは、破損や不適切な建設などのラグーンの欠陥、または降雨量の増加や強風などの悪天候によって引き起こされます。これらのオーバーフローにより、抗生物質、エストロゲン、バクテリア、農薬、重金属、原生動物などの有害物質が周囲の土地や水に放出されます。

米国では、環境保護庁(EPA) が水質浄化法に基づく CAFO の規制を強化することで、環境と健康への懸念に対応してきました。一部の州では独自の規制も施行しています。度重なるオーバーフローとそれに伴う健康への懸念から、ノースカロライナ州は1999 年に新しい嫌気性ラグーンの建設を禁止しました。また、CAFO 廃棄物のより安全な封じ込めとリサイクルを可能にする環境に優しい技術の研究、開発、実装も強く推進されてきました。

1950年代に家禽の生産から始まり、その後1970年代と1980年代には牛と豚の生産にも広がり、米国の食肉生産者はより効率的に大量の肉を生産する方法としてCAFOへと目を向けるようになった。^[2]この転換により肉の価格は下がった。^[3]しかし、家畜の増加は肥料の増加をもたらした。例えば、2006年には米国の畜産業は1億3300万ショートトン（1億2100万トン）の肥料を生産した。^[2]従来の農場で生産される肥料とは異なり、CAFOの肥料は質が悪いため、農地で直接肥料として全て使用することはできない。^[要出典]さらに、CAFOは大量の肥料を生産する。 80万頭の豚を飼育する畜産農場では、年間160万ショートトン（150万トン）以上の廃棄物が発生する可能性がある。^[4]集中畜産農場で生産される大量の糞尿は、何らかの方法で処理する必要がある。不適切な糞尿管理は、水、空気、土壌の損傷につながる可能性がある。^[5]その結果、糞尿の収集と処分がますます大きな問題となっている。^[6]

CAFO は廃棄物を管理するために、農業廃水処理計画を策定しました。多くの CAFO は、手作業の労力を節約するために、肥料廃棄物を液体として処理しています。^[7]このシステムでは、動物は格子張りの床の囲いの中で飼育され、廃棄物と噴霧水は床下の溝から排水され、貯蔵タンクまたは嫌気性ラグーンにパイプで送られます。^[5]ラグーンに到着したら、目的は廃棄物を処理し、農地に散布するのに適したものにすることです。^[7]ラグーンには、酸素によって阻害される嫌気性、酸素を必要とする好気性、酸素の有無にかかわらず維持される通性という 3 つの主要なタイプがあります。^[7]好気性ラグーンは、より高度な処理が可能で、臭いの発生は少ないですが、かなりのスペースとメンテナンスが必要です。この需要のため、ほぼすべての家畜ラグーンは嫌気性ラグーンです。^[7]

嫌気性ラグーンは、通常深さ 8 フィート (2.4 メートル) の土槽ですが、より深い方が表面からの酸素拡散を最小限に抑えられるため、消化に効果的です。動物の排泄物が地下水に漏れるのを最小限に抑えるため、新しいラグーンは一般に粘土で裏打ちされています^[8]研究によると、粘土の裏打ちの有無にかかわらず、ラグーンからの漏出量は 1 日あたり約 1 ミリメートル (0.04 インチ) であることがわかっています^[9]。これは、ラグーンの底に堆積したヘドロが漏出量を制限するのであって、粘土の裏打ちやその下の土が制限するわけではないためです^[10]

嫌気性ラグーンは加熱、通気、混合されない。嫌気性ラグーンは暖かい温度で最も効果的であり、嫌気性細菌は15℃（59°F）以下では効果がない。 ^[11]ラグーンは汚染を防ぐために他の構造物から一定の距離を隔てなければならない。州はこの分離距離を規制している。^[12]ラグーンの全体の大きさは、最小設計容積、処分期間間の堆肥貯蔵容積、希釈容積、および汚泥除去期間間の汚泥蓄積容積の4つの要素を加算して決定される。^[12]

ラグーンは、汚泥層と液体層という2つの明確な層に分かれています。汚泥層は、堆肥からの堆積物の成層によって形成された、より固体の層です。^[11]しばらくすると、この固体層が蓄積し、最終的には清掃が必要になります。^[8]液体層は、グリース、スカム、その他の微粒子で構成されています。^[8]液体層のCAFO廃水は、汚泥層の活性微生物塊と混ざるように、ラグーンの底から入ります。これらの嫌気性条件は、小さな表面レベルを除いて、ラグーン全体で均一です。^[11]

ラグーンから放出される臭気を抑えるために、このレベルにエアレーションが施されることもあります。表面エアレーションが施されないと、熱と臭気を閉じ込める地殻が形成されます。^[11]嫌気性ラグーンは、20日から150日間、廃水を貯留して処理します。^[8]ラグーンの後には、さらに必要な処理を行うために好気性または通性ラグーンが続きます。^[11]液層は定期的に排水され、肥料として使用されます。場合によっては、エネルギーとして使用されるメタンを閉じ込めるためにカバーが設けられることもあります。^[11]

嫌気性ラグーンは嫌気性消化と呼ばれるプロセスによって機能します。^[5]有機物の分解は動物の排泄後すぐに始まります。ラグーンが嫌気性になるのは、排泄物に含まれる可溶性固形物の量が多いため、生物学的酸素要求量（BOD）が高くなり、BODが上昇するためです。^[5]嫌気性微生物は、酸の生成とメタンの生成を通じて、有機化合物を二酸化炭素とメタンに変換します。^[11]

• 肥料は、水洗システム、下水道、ポンプ、灌漑システムを使用して水で簡単に処理できます^[7]
• 消化による廃棄物の安定化は、最終的に肥料として使用される際の臭いを最小限に抑えます^[7]
• 肥料は低コストで長期保存が可能^[7]
• 肥料は、広大な土地に散布されるのではなく、すべて 1 つのエリアに集められます (これは WES (廃棄物拡大システム) と呼ばれます)。

• 比較的広い土地を必要とする^[11]
• 特に春と秋に強い悪臭を発する^[7]
• 汚泥の消化速度が遅く、メタン生成菌の増殖速度が遅いため、有機安定化にはかなり長い時間がかかります。
• 肥料として使用される堆肥は、栄養素の利用性が低いため、品質が低い^[7]
• タンクが破損したり、不適切に建設された場合、汚水の浸出が起こる可能性がある^[11]
• 天候やその他の環境要素は嫌気性ラグーンの安全性と有効性に大きく影響する可能性がある^[11]

CAFOの近くに住む子供たちの喘息の発生率は一貫して高い。^[4]嫌気性消化のプロセスにより、ラグーンから400種類以上の揮発性化合物が放出されることがわかっている。^[13]これらのうち最も一般的なものは、アンモニア、硫化水素、メタン、二酸化炭素である。^{[4] [5] [14]}

米国では、アンモニア排出量の80％は畜産に由来しています。^[5]ラグーンは、NH4+-N -> NH3 + H+という反応により、最大80％の窒素を蒸発させることができます。[ ¹³ ] pHまたは温度が上昇すると、揮発したアンモニアの量も増加します。^[15]アンモニアは揮発すると、300マイルも遠くまで移動し、^[13]より近い距離では呼吸器系を刺激します。^[5]ラグーン周辺の生態系の酸性化と富栄養化は、揮発したアンモニアへの長期曝露によって引き起こされる可能性があります。^[16]この揮発したアンモニアは、ヨーロッパで広範囲にわたる生態系被害に関係していると考えられており、米国でも懸念が高まっています。^[15]

ラグーンには、平均30ppbを超える高濃度の硫化水素があり、非常に有毒です。^[13]ミネソタ州汚染管理局の調査によると、ラグーン付近の硫化水素濃度は、4.9マイル離れた場所でも州の基準を超えています。^[13]硫化水素は、不快な腐った卵のような臭いで知られています。硫化水素は空気より重いため、換気後もラグーン周辺に残る傾向があります。^[17]硫化水素のレベルは、撹拌後と肥料除去中に最も高くなります。^[5]

メタンは無臭、無味、無色のガスです。ラグーンは年間約230万トンのメタンのガスを排出しており、そのうち約40％は養豚場のラグーンから排出されています。^[18]メタンは高温で燃えやすく、ラグーン内やその付近では爆発や火災の脅威となります。^[17]さらに、メタンは温室効果ガスです。米国環境保護庁は、1998年に全メタン排出量の13％が家畜の糞尿から排出されたと推定しており、この数字は近年増加しています。^[13]最近、ラグーンから排出されるメタンを回収し、エネルギーとして販売する技術に関心が集まっています。^[19]

水溶性の汚染物質は嫌気性ラグーンから漏れ出し、粗悪な構造やメンテナンスの行き届いていない肥料ラグーンからの漏出や、過度の雨や強風によって環境に流入し、ラグーンの溢れを引き起こす可能性があります。^[2]これらの漏出や溢れは、ラグーンに含まれるいくつかの有害物質で周囲の地表水や地下水を汚染する可能性があります。^[2]これらの汚染物質の中で最も深刻なのは、病原体、抗生物質、重金属、ホルモンです。たとえば、メリーランド州とノースカロライナ州の農場からの流出水は、Pfiesteria piscicidaの主な候補です。この汚染物質は魚を死滅させる能力があり、人間に皮膚炎や短期記憶障害を引き起こすこともあります^[20]

堆肥池には150種類以上の病原菌が存在し、人間の健康に影響を及ぼすことがわかっています。^[4]健康な人が病原菌に接触した場合、通常はすぐに回復します。しかし、がん患者や幼児など免疫力が弱い人は、より重篤な病気や死亡のリスクが高まります。^[4]米国の人口の約20%がこのリスクグループに分類されます。^[4]注目すべき病原菌には次のようなものがあります。

大腸菌は動物と人間の両方の腸と排泄物に存在します。特に毒性の強い菌株である大腸菌O157:H7は、集中管理型施設で飼育された牛の腸管腔に特異的に存在します。集中管理型施設では牛に牧草ではなくトウモロコシを与えるため、腸管腔のpHが変化し、大腸菌にとってより住みやすい状態になります。穀物を与えられた牛は、牧草を与えられた牛よりもこの大腸菌株を80パーセント多く持っています。しかし、穀物を与えられた牛の腸管腔で見つかった大腸菌の量は、屠殺のわずか数日前に動物を牧草に切り替えるだけで大​​幅に減らすことができます。^[21]この減少により、牛の肉と廃棄物の両方で病原体の存在が減少し、嫌気性ラグーンで見つかった大腸菌の個体数が減少するでしょう。

クリプトスポリジウムは下痢、嘔吐、胃けいれん、発熱を引き起こす寄生虫です。ほとんどのラグーン治療法に耐性があるため、特に問題となっています^[4]カナダで行われた研究では、豚の液体肥料サンプルの37%にクリプトスポリジウムが含まれていました^[22]

その他の一般的な病原体（およびその症状）には以下のものがある：^[4]

• 炭疽菌（別名炭疽菌）（皮膚の痛み、頭痛、発熱、悪寒、吐き気、嘔吐）
• レプトスピラ・ポモナ（腹痛、筋肉痛、嘔吐、発熱）
• リステリア・モノサイトゲネス（発熱、疲労、吐き気、嘔吐、下痢）
• サルモネラ菌（腹痛、下痢、吐き気、悪寒、発熱、頭痛）
• 破傷風菌（激しい筋肉のけいれん、顎関節症、呼吸困難）
• ヒストプラズマ・カプスラツム（発熱、悪寒、筋肉痛、咳、発疹、関節痛、関節のこわばり）
• ミクロスポルムおよびトリコフィトン 白癬（かゆみ、発疹）
• ジアルジア・ランブリア（腹痛、腹部ガス、吐き気、嘔吐、発熱）
• クリプトスポリジウム（下痢、脱水、衰弱、腹部のけいれん）
• フィステリア・ピシシダ（神経障害）^[13]

抗生物質は家畜に与えられ、病気を予防し、体重と発育を促し、誕生から屠殺までの時間を短縮します。しかし、これらの抗生物質は治療レベル未満で投与されるため、細菌のコロニーは抗生物質に耐性のある細菌の自然淘汰を通じて薬剤に対する耐性を獲得する可能性があります。これらの抗生物質耐性細菌はその後排泄され、ラグーンに移動し、そこで人間や他の動物に感染する可能性があります。^[13]

毎年、2,460万ポンドの抗菌剤が非治療目的で家畜に投与されています。^[23]すべての抗生物質と関連薬物の70％は、飼料添加物として動物に投与されています。^[4]使用される抗生物質のほぼ半分は、人間に投与されるものとほぼ同じです。動物飼料への抗生物質の使用が抗生物質耐性微生物の増加に寄与し、抗生物質が人間に対して効果を低下させているという強力な証拠があります。^[4]抗生物質耐性菌に対する懸念から、米国医師会は、家畜への治療レベル以下の抗菌剤の使用に反対する決議を可決しました。^[13]

rBST、エストロゲン、テストステロンなどの成長ホルモンは、家畜の発育速度と筋肉量を増やすために投与されます。しかし、これらのホルモンのほんの一部だけが実際に動物に吸収されます。残りは排泄され、ラグーンに流れ込みます。研究によると、これらのホルモンがラグーンから漏れて周囲の表層水に放出されると、水生動物の繁殖力と生殖習慣が変化する可能性があることがわかりました。^[4]

ある調査では、2 つの施設 (育成場と分娩母豚飼育場) のいくつかのラグーンとモニタリング井戸に、3 種類のエストロゲンすべてが高濃度で含まれていることが判明しました。育成場の場合、ラグーン排水濃度は、エストロンが 390～620 ng/L、エストリオールが 180～220 ng/L 、エストラジオールが 40～50 ng/Lでした。分娩母豚飼育場の場合、消化槽と一次ラグーン排水濃度は、エストロンが 9,600～24,900 ng/L、エストリオールが 5,000～10,400 ng/L、エストラジオールが 2,200～3,000 ng/L でした。ラグーンや地下水のサンプルでは、​​エチニルエストラジオールは検出されませんでした。地下水サンプル中の天然エストロゲン濃度は一般的に0.4 ng/L未満であったが、養殖場のいくつかの井戸では定量可能な低レベルが示された。」^[24]

家畜の糞尿には、ヒ素、カドミウム、銅、鉄、鉛、マンガン、モリブデン、ニッケル、亜鉛など、多くの重金属の微量元素が含まれています。これらの金属は、成長促進剤として動物に与えられることもあれば、害虫駆除用の殺虫剤を通じて家畜に持ち込まれることもあり、また、未消化の食物として動物の体内に入ることもあります。^[13] 家畜の糞尿に含まれるこれらの金属や塩の微量元素は、人間の健康や生態系に危険をもたらします。^[13]

1999年、ハリケーン・フロイドがノースカロライナ州を襲い、豚の排泄物ラグーンが洪水に見舞われ、ニュー川に2500万ガロンの糞尿が流れ込み、水道水が汚染された。^[25]郡環境衛生局長のロニー・ケネディ氏は、ハリケーン以来汚染検査を行った310の私有井戸のうち、9%、つまりノースカロライナ州東部全体の平均の3倍で大腸菌が検出されたと述べた。通常、飲料水に糞便の兆候が少しでも見られれば、病原菌を運んでいる可能性があるので、直ちに行動を起こす必要がある。^[26]

嫌気性ラグーンは、廃水処理システムの一部として建設される。そのため、コンプライアンスと許可はその処理の延長として扱われる。したがって、糞尿ラグーンは、それを運営するCAFOを通じて州および国レベルで規制されている。近年、嫌気性ラグーンに関連する環境および健康への影響のため、EPAはラグーンに特に注目してCAFOの規制を強化している。^[27]ノースカロライナ州は1999年に新しい嫌気性ラグーンの建設を禁止し、2007年もその禁止を維持した。^{[28] [29]}

より環境的に優れた技術の開発と経済的実現可能性を評価するための研究がいくつか行われてきました。ノースカロライナ州で実施されている主な代替案は、固形物分離/硝化・脱窒/可溶性リン除去システム、好熱性嫌気性消化システム、集中型堆肥化システム、ガス化システム、流動床燃焼システムです。^[30]これらのシステムは、CAFO廃棄物の地表水と地下水への影響を軽減し、アンモニア排出量を減らし、病気を媒介する病原体の漏出を減らし、重金属汚染の濃度を下げる能力に基づいて評価されました。^[30]

米国農務省（USDA）も、 CAFOの二酸化炭素と亜酸化窒素の排出に対するキャップ・アンド・トレード制度の創設の可能性を検討している。このプログラムはまだ実施されていないが、USDAは、このようなプログラムが企業にEST慣行の採用を促すだろうと推測している。^[19]

米国農業研究局は、全国の嫌気性豚用ラグーンに関する包括的な研究を開始した。この研究は、ラグーンの構成と、嫌気性ラグーンが環境要因と農業慣行に与える影響を調査することを目的としている。^[31]

• 農業廃水処理
• 嫌気性消化
• エアレーションラグーン
• 工場式農業
• 廃水処理技術一覧
• 下水処理

• ウィキメディア・コモンズの嫌気性ラグーンに関連するメディア